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5.3 Resultados de Simula¸ c˜ ao

5.3.1 Projeto do controlador

Suponha que a bola tem apenas um grau liberdade, ou seja, movimenta-se em apenas uma dimens˜ao. A trave ´e feita para rotacionar no plano vertical pela aplica¸c˜ao de uma for¸ca de torque aplicado ao centro da trave e a bola ´e livre para rolar ao longo dela. Esta deve se manter em contato com a trave e n˜ao deve haver escorregamento da bola com a trave.

As equa¸c˜oes dinˆamicas do sistema s˜ao descritas a seguir (Feng, 2003):

JbR2+¨+M gsenθ−M ψθ˙2 = 0 (M ψ2+J +Jbθ+ 2M ψψ˙θ˙+M gψcosθ = τ,

onde ψ ´e a posi¸c˜ao da bola, θ ´e o ˆangulo da trave, g = 9,8m/s2 ´e a constante gravitacional, J ´e o momento de in´ercia da trave, M, Jb, e R s˜ao a massa, o momento de in´ercia e o raio da bola respectivamente, e τ ´e o torque aplicado a trave.

Definindo b :=M/(Jb/R2+M) e fazendo τ = 2M ψψψ˙+M gψcosθ+ (M ψ2+J+Jb)u

onde u ´e a nova entrada, o sistema ´e reescrito pela seguinte equa¸c˜ao no espa¸co de estado

Figura 5.1: Sistema com uma bola em equil´ıbrio em uma trave.

O sistema n˜ao-linear em malha aberta pode ser visto nas Figuras 5.3 e 5.4.

O sistema bola-trave ´e um exemplo cl´assico na aplica¸c˜ao de t´ecnicas de con-trole. O termo cr´ıtico x1x24 aparece na equa¸c˜ao de ˙x2. Este termo cresce qua-draticamente com a velocidade angular da trave x4 = ˙θ. Atrav´es da an´alise do sistema f´ısico e de simula¸c˜oes ´e poss´ıvel concluir que ´e suficiente a trave estar perfeitamente horizontal (x3 = 0 e x4 = 0) e a bola em total repouso (x2 = 0) para que esta se mantenha em sua posi¸c˜ao inicial, por´em qualquer pertuba¸c˜ao leva o sistema `a instabilidade. Para condi¸c˜oes iniciais diferentes de zero o sistema tende a instabilidade.

O objetivo do controle ´e determinar u(x) tal que a sa´ıda em malha fechada converge para zero para certas condi¸c˜oes iniciais.

Para a implementa¸c˜ao do controlador ser´a projetado os seguintes casos:

1. Controlador fuzzy via CDP com realimenta¸c˜ao de estado - utilizando (3.30);

2. Controlador fuzzy via CDP com realimenta¸c˜ao de estado e restri¸c˜ao no posicionamento dos p´olos - utilizando Teorema 5.3;

3. Controlador chaveado fuzzy com realimenta¸c˜ao de estado e restri¸c˜ao no posicionamento dos p´olos atrav´es de fun¸c˜oes de Lyapunov por partes - uti-lizando o Teorema 5.8.

Para aplicar o controle fuzzy ´e necess´ario linearizar o sistema original em pon-tos escolhidos. Escolhem-se os ponpon-tos xA = (1,0,0,0.01) e xB = (1,0,0,0.01).

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Os pontos escolhidos representam duas posi¸c˜oes distintas da trave a uma pequena velocidade angular. Atrav´es da t´ecnica de lineariza¸c˜ao convencional (3.7) n˜ao ´e poss´ıvel obter modelos lineares devido a presen¸ca de termos constantes. Para contornar este problema ser´a utilizado a metodologia proposta por Teixeira e Zak (1999), apresentada na Se¸c˜ao 3.1.2.

Aplicando (3.23) para xA, tem-se aT1 =

Aplicando o mesmo procedimento para xB, tem-se

A2 =

A partir dos sistemas linearizados acima as seguintes regras fuzzy s˜ao cons-tru´ıdas para descrever o sistema n˜ao-linear:

Regra do Modelo 1:

S˜ao usadas fun¸c˜oes de pertinˆencia trapezoidais para descrever a pertinˆencia das fun¸c˜oes de acordo com a vari´avel premissa, o estado x1, como mostra a Figura 5.2. Escolhe-se a regi˜ao de c´ırculo de centro em (5,0) e raio r = 2.5 no

Figura 5.2: Fun¸c˜oes de pertinˆencia fuzzy.

plano-s para a qual os p´olos do sistema em malha fechada dever˜ao pertencer para caracterizar o desempenho desejado.

As seguintes matrizes descrevem a regi˜ao LMI desejada, segundo a Defini¸c˜ao 2.8:

Para a s´ıntese dos controladores via CDP a seguinte lei de realimenta¸c˜ao de estado ´e utilizada:

u(t) = r

i=1

µi(x(t))Kix(t).

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Caso 1: Este caso apresentou estabilidade, por´em os p´olos do sistema em malha fechada n˜ao se encontram na regi˜ao de c´ırculo de centro em (5,0) e raio r= 2.5 no plano-s, conforme mostra a Figura 5.9. Os seguintes ganhos locais dos subsistemas lineares foram obtidos

Caso 2: Utilizando a t´ecnica do Teorema 5.3, para construir um controlador fuzzy via CDP, que posicione os p´olos na regi˜ao especificada por L e M, de-finidos acima, obteve-se os seguintes ganhos que resultaram no posicionamento satisfat´orio dos p´olos de malha fechada:

K1 =

O controlador fuzzy obtido foi implementado no sistema n˜ao-linear original (5.16). Utilizou-se como condi¸c˜ao inicial x0 = [1 0 0 0]. Atrav´es de diversas simula¸c˜oes observou-se que o controlador era capaz de responder no intervalo x10 [1.4 1.4] (x20, x30, x40= 0), como mostram as Figuras 5.12 e 5.13.

Caso 3: A seguir, ´e implementado a s´ıntese de controle proposta. Deseja-se encontrar fun¸c˜oes de Lyapunov por partes que atendam aos requisitos de projeto.

Para tal, faz-se necess´ario a delimita¸c˜ao de regi˜oes no espa¸co de estadoS1 ={x: x1 < 0} e S2 = {x : x1 > 0}. No sistema real em malha fechada o estado x1 define a comuta¸c˜ao dos controladores K1 e K2 nas regi˜oesS1 eS2.

Para garantir a continuidade da fun¸c˜ao de Lyapunov segundo o Lema 4.4, define-se as fun¸c˜oes de continuidade F1 e F2 para as regi˜oes x1 ∈ S1 e x1 ∈ S2

respectivamente. A metodologia para encontrar tais fun¸c˜oes est´a descrito em

Johansson et al. (1999).

Os seguintes limitantes superiores foram encontrados utilizando (4.19):

EiA =

encon-93

23700 0.000763 0.00136 0.000688 0.00247

0.000763 23700 0.120 0.0475 0.128 0.00136 0.120 0.192 0.0847 0.262 0.000688 0.0475 0.0847 0.0423 0.150

0.00247 0.128 0.2620 0.150 0.609

0.0212 0.0610 0.0241 0.0654

0.0610 0.192 0.0847 0.262

0.0241 0.0847 0.0423 0.150 0.0654 0.262 0.150 0.609

0.0205 0.0596 0.0234 0.0629

0.0596 0.192 0.0847 0.262

0.0234 0.0847 0.0423 0.150 0.0629 0.262 0.150 0.609 foram alocadas na regi˜ao desejada conforme mostra a Figura 5.11. Atrav´es das simula¸c˜oes foi poss´ıvel constatar que o sistema consegue alcan¸car o equil´ıbrio e resposta temporal satisfat´oria para a condi¸c˜ao inicial x0 = [1 0 0 0] (ver Figuras 5.12 e 5.13).

Observa¸c˜ao 5.1 Observa-se que a t´ecnica proposta utilizando fun¸c˜oes de Lya-punov por partes (caso3) apresenta uma resposta mais r´apida em rela¸c˜ao ao caso 1, e resultados similares em rela¸c˜ao ao uso da P comum (caso 2), por´em, a fac-tibilidade das LMIs pode ser mais facilmente atingida com fun¸c˜oes de Lyapunov

por partes no caso de modelos fuzzy serem const´ıtuidos de um n´umero maior de modelos locais.

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Figura 5.3: Diagrama Simulink do sistema n˜ao-linear em malha aberta.

Figura 5.4: Diagrama Simulink do sistema Bola-Trave.

Figura 5.5: Diagrama Simulink do sistema em malha fechada com o controlador fuzzy via CDP.

Figura 5.6: Diagrama Simulink da estrutura interna do controlador fuzzy via CDP.

Figura 5.7: Diagrama Simulink do sistema em malha fechada com o controlador cha-veado fuzzy.

Figura 5.8: Estrutura do controlador chaveado fuzzy.

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Figura 5.9: P´olos de malha fechada dos subsistemas lineares do caso 1.

−10 −9 −8 −7 −6 −5 −4 −3 −2 −1 0

Figura 5.10: P´olos de malha fechada dos subsistemas lineares locais do caso 2.

−10 −9 −8 −7 −6 −5 −4 −3 −2 −1 0

−5

−4

−3

−2

−1 0 1 2 3 4 5

σ

p1(A1mf)= (−4.0,1.1) p2(A

1mf)= (−4.0,−1.1) p3(A

1mf)= (−4.3,0) p4(A

1mf)= (−2.8,0) p1(A

2mf)= (−4.0,1.4) p2(A2mf)= (−4.0,−1.4) p3(A

2mf)= (−3.7,0) p4(A

2mf)= (−2.9,0)

Figura 5.11: Localiza¸c˜ao dos p´olos dos subsistemas de malha fechada do caso 3.

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0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

−1 0 1 2

x 1(t)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

−1

−0.5 0 0.5

x 2(t)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

−0.5 0 0.5

x 3(t)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

−1 0 1 2

x 4(t)

t [s]

Caso 1 Caso 2 Caso 3

Figura 5.12: Resposta do sistema em malha fechada para os casos 1, 2 e 3 com condi¸c˜ao inicial [1 0 0 0].

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

−10

−5 0 5 10 15 20 25 30 35 40

t [s]

u(t)

Caso 1 Caso 2 Caso 3

Figura 5.13: Resposta do sinal de controle para os casos 1, 2 e 3 com condi¸c˜ao inicial [1 0 0 0].

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